特性類

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特性類 (とくせいるい、英: Characteristic class) は、位相群を構造群とするファイバーバンドルの不変量であり、（十分性質がよい）位相空間Xを底空間とするファイバーバンドル

$\pi ~:~E\to X$

に対し、Xのコホモロジー群の元を対応させる対応関係

$c~:~\xi =(E,X,\pi )\mapsto c(\xi )\in H^{q}(X;A)$

で、「自然な」ものである。

原理的には任意のファイバーバンドルに対して特性類を定義できるが、研究が進んでいるのは主にベクトルバンドルに対する特性類である。ベクトルバンドルの特性類は以下の数学の分野に応用がある：

• 障害理論
• K理論
• チャーン・ヴェイユ理論
• コボルディズム理論

またXが可微分多様体であれば、Xの接バンドルTXの特性類をX自身の不変量とみなす事ができる。接バンドルTXはXの可微分構造に依存しているので、ミルナーはTXの特性類を利用する事により、7次元球面と位相同型だが微分位相同型ではない可微分多様体の存在を示した。

1935年の多様体上のベクトル場についてのエドゥアルト・シュティーフェル (Eduard Stiefel) とハスラー・ホイットニー (Hassler Whitney) の仕事より、特性類の考え方が発生した。

定義と基本的な性質

定義

以下、Fをファイバーに持つファイバーバンドルの事をF-バンドルと呼ぶこととし、全空間E、底空間Xおよび射影$\pi ~:~E\to X$からなるF-バンドルを$(E,X,\pi )$と表記する。特性類の概念を厳密に定義するには圏論の概念を使う必要があるので、まずは若干厳密性を犠牲にした定義を以下に述べる：

定義 (特性類) ― Gを位相群とし、FをGが作用する位相空間とし、Aをアーベル群とし、さらにqを非負整数とする。このとき次数qのA係数特異コホモロジー群におけるGに関する特性類とは、CW複体を底空間とし構造群Gを持つF-バンドル$\xi =(E,X,\pi )$にコホモロジー群$H^{q}(X;A)$の元を対応させる「対応関係」

$c~:~\xi =(E,X,\pi )\mapsto c(\xi )\in H^{q}(X;A)$

で、任意のCW複体X、Y、構造群Gを持つY上の任意のF-バンドル$\xi =(E,Y,\pi )$、および任意の連続写像

$f~:~X\to Y$

に対し、

$f^{*}(c(\xi ))=c(f^{*}(\xi ))$

が成立するものの事をいう。またF-バンドル$\xi$のcによる像$c(\xi )$の事をξの(cに関する)特性類と呼ぶ。

上の定義における記号の意味を説明すると、$f^{*}(c(\xi ))=c(f^{*}(\xi ))$における左辺の$f^{*}$は、fがコホモロジーに誘導する写像

$f^{*}~:~c(\xi )\in H^{q}(Y,A)\mapsto f^{*}(c(\xi ))\in H^{q}(X,A)$

の事であり、右辺の$f^{*}$はX上のF-バンドル$\xi =(E,X,\pi )$のfによる引き戻しによって定義されるY上のF-バンドルの事である。

注意点

上の定義に関して２つの注意点を述べる。第一に、上の定義におけるバンドル写像fは構造群GのFへの作用と両立するもののみを考えている。したがって例えばn次元実ベクトルバンドルを$\mathrm {GL} _{n}(\mathbb {R} )$を構造群として持つ$\mathbb {R} ^{n}$-バンドルとみなしたとき、各点$x\in X$のファイバー$F_{x}$上にバンドル写像fを制限した$f|_{x}~:~F_{x}\to F_{y}$は線型同型写像でなければならず、行列式が0になってはならない。逆に言えば、いずれかの点$x\in X$で行列式が0になるfに対しては$f^{*}(c(\xi ))=c(f^{*}(\xi ))$が成立する必要はないし、次元が異なるベクトルバンドル間の写像に関してもこの性質が成立する必要はない。

第二に、本項では多くの教科書と同様、ファイバーバンドルの底空間BがCW複体である場合に限定して特性類を定義したが、より一般の空間、例えばパラコンパクトな位相空間に対しても特性類を定義できる。ただしこの場合本項で述べる性質のいくつかは成立しない。なお幾何学における多くの用途ではCW複体を対象にすれば十分である。実際、任意の可微分多様体は単体的複体、したがってCW複体と位相同型になる事が知られており、（可微分とは限らない）位相多様体もコンパクトな場合はCW複体とホモトピー同型になる事が知られている。さらにいえば任意の位相空間はCW複体と弱ホモトピー同型である。

また本項では底空間Bに対してはCW複体である事を要求したものの、構造群G、ファイバーF、全空間Eは（CW複体とは限らない）任意の位相群、位相空間でよい。

ホモトープな写像の特性類

構造群を持つファイバーバンドルの性質として以下が知られている：

定理 ― X、Yを位相空間とし、$\xi =(E,Y,\pi )$を位相群Gを構造群として持つF-バンドルとし、さらに2つの連続写像

$f,g~:~X\to Y$

がホモトープであるとする。このときf、gによる引き戻し$f^{*}(\xi )$、$g^{*}(\xi )$は自然に同型である。 よって特に任意の特性類cに対し、

$c(f^{*}(\xi ))=c(g^{*}(\xi ))$

すなわち特性類を考える上では、底空間の間の写像はホモトピークラスのみを考慮すればよい。

厳密な定義

以上では特性類の定義に「対応関係」という未定義の言葉を使ったが、圏論の概念を使えばこうした未定義の語に頼らずに特性類の概念を定義できる：

定義 (特性類の厳密な定義) ― G、A、qを上の定義と同様に取る。対象をCW複体、射を連続写像のホモトピークラスとする圏CWをとし、さらにSetを集合の圏とし、 反変関手

$b~:~\mathbf {CW} \to \mathbf {Set}$

を以下のように定義する：

• CWの対象Xに対し、Xを底空間とするF-バンドル（でGを構造群に持つもの）のホモトピーによる同型類全体の集合をb(X)と定義する
• CWの対象間の射$[f]~:~X\to Y$に対し、$b(f)=[f^{*}]$と定義する。ここで$[f]$はホモトピークラスであり、$f^{*}$はバンドルの引き戻し$f^{*}~:~\xi \in b(Y)\mapsto f^{*}(\xi )\in b(X)$である。

このとき、次数qのA係数コホモロジー群における構造群Gを持つF-バンドルに関する特性類とは、反変関手$b$から反変関手

$H^{q}(-,A)~:~X\in \mathbf {CW} \mapsto H^{q}(X,A)\in \mathbf {Set}$

への自然変換の事である。また構造群Gを持つF-バンドル$\xi$（の同型類）のcによる像$c(\xi )$の事をξの(cに関する)特性類と呼ぶ。

なお、上述の特性類の定義において圏CWの射は連続写像としたが、下記の定理より、これを胞体写像に変えても定義は同値になる：

定理 (胞体近似定理（英: cellular approximation theorem）) ― X、YをCW複体とすると、 任意の連続写像$f~:~X\to Y$は胞体写像(英: cellular map)とホモトープである。

特性類に登場するコホモロジーとして、特異コホモロジーより簡便な（だが特異コホモロジーと同値である）胞体コホモロジーを用いる場合は議論に胞体写像を用いる必要があるのでこの定理は有用である。

ファイバーバンドルとその主バンドルの関係

以下の事実は特性類を具体的に定義する上で鍵となる重要な性質である：

定理 ― 構造群GのファイバーFへの作用が効果的であれば、構造群Gを持つF-バンドルと、構造群G を持つ主G-バンドルと1対1対応する。

この定理と特例類の定義からファイバーバンドルの特性類と主バンドルの特性類が1対1対応するという重要な事実が明らかに従う：

定理 ― GがFに効果的に作用しているとき、以下が成立する

• 構造群Gを持つF-バンドル$\phi$に対応する主G-バンドルを$\rho _{\phi }$とし、cを主G-バンドルの特性類とすると、$c'(\phi ):=c(\rho _{\phi })$は構造群Gを持つ-Fバンドルの特性類である。
• 逆に主G-バンドル$\rho$に対応するF-バンドルを$\phi _{\rho }$とすると、dを構造群Gを持つF-バンドルの特性類とすると、$d'(\rho ):=d(\phi _{\rho })$は主G-バンドルの特性類である。

この事実からファイバーバンドルに対して特性類を定義するには主バンドルに対して特性類が定義できる事が必要十分である事がわかる。そこで以下、おもに主バンドルにフォーカスして特性類の議論をすすめる事とする。

なお上の定理ではGがFに効果的に作用している事を仮定しているが、多くの場合この仮定は必須ではない。実際、Fが十分性質の良い空間、たとえはCW複体であれば、GのFへの作用が連続である必要十分条件は、GのFへ作用のから定まる写像$\phi ~:~G\to \mathrm {Homeo} (F)$が（$\mathrm {Homeo} (F)$にコンパクト開位相を入れたとき）連続になる事である。よってGの作用が忠実ではない場合であっても、写像$\phi$のカーネルで割った位相群$G/\mathrm {ker} \phi$はFへ忠実かつ連続に作用するので、F-バンドルの特性類を定義するには主$G/\mathrm {ker} \phi$-バンドルの特性類を定義すれば良い。

分類空間

本節では位相群の分類空間のいう概念を導入し、分類空間の概念を用いて主バンドルの特性類の概念を全く別の角度から特徴づける。この分類空間を用いた特性類の定義は、後の節で特性類の具体例を構築する上で非常に有益である。

定義と性質

定義

分類空間の概念を定義するため、まず以下の概念を定義する。

定義 ― 位相空間Xが弱可縮であるとは、任意の自然数nに対し、n次のホモトピー群$\pi _{n}(X)$が0になる事である。

弱可縮の概念を用いて、分類空間の概念は以下のように定義される：

定義 ― Gを位相群とする。$(P,B,\pi )$を主G-バンドルでPが弱可縮なものとするとき、Bの事をGの分類空間（英: classifying space）といい、$(P,B,\pi )$を（あるいは単にPを）普遍G-バンドル（英: universal G-bundle）という。

「分類空間」という名称の由来は次節に回すが、分類空間は必ず存在し、本質的に一意である：

定理 (普遍G-バンドルの存在性と本質的な一意性) ― 任意の位相群Gに対し、分類空間とその上の普遍G-バンドルが存在する。しかも分類空間はcanonicalなホモトピー同型を除いて一意であり、普遍G-バンドルもG-ホモトピー同型を除いて一意である。さらに分類空間としてCW複体を取る事が可能である。

記号の定義 ― Gの（ホモトピー同型を除いて）一意に存在する分類空間、普遍G-バンドルをそれぞれBG、PGと表記する。

上述したように、分類空間はホモトピー同型を除いて一意ではあるものの、同一の位相群に対し位相同型ではない複数の分類空間が存在しうる。このため位相群に対する個々の分類空間の事を分類空間のモデル（英: model）という。

分類定理

分類空間はその名称が示す通り、与えられた底空間上のG-バンドルは、底空間から普遍G-バンドル$(PG,BG,\pi _{G})$への写像のホモトピークラスにより完全に分類される：

定理 (分類定理) ― Gを位相群とし、$(P,B,\pi _{G})$を主G-バンドルとする。 さらにXを任意のCW複体とし、$[X,B]$をXからBへの連続写像のホモトピークラス全体の集合とし、${\mathcal {P}}_{G}(X)$をX上の主G-バンドルの同型類の集合とする。

このとき$(P,B,\pi _{G})$が普遍G-バンドルである必要十分条件は任意のCW複体Xに対し、

$[f]\in [X,B]\mapsto f^{*}(P)\in {\mathcal {P}}_{G}(X)$

が全単射な事である。ここで$f^{*}(P)$は$f~:~X\to B$によるPのXへの引き戻しである。

なお、上の定理において写像$[f]\in [X,B]\mapsto f^{*}(P)\in {\mathcal {P}}_{G,F}(X)$がwell-definedな事は、ホモトープな２つの写像が引き戻したバンドルは互いに同型な事だというすでに見た事実から従う。

上記の定理から、X上の任意の主G-バンドルξに対し、写像$f~:~X\to B$がホモトピー同値を除いて一意に定まる。このfの事をξの分類写像（英: classifying map）という。

構造群Gを持つファイバーバンドルと主G-バンドルは1対1対応するので、上記の定理から一般のファイバーバンドルに対する分類定理が系として従う：

系 (ファイバーバンドルに対する分類定理) ― Gを位相群とし、$(P,B,\pi _{G})$を普遍G-バンドルとし、FをGが忠実に作用する位相空間とし、$(E,B,\pi _{G})$を$(P,B,\pi _{G})$に随伴するF-バンドルとする。さらにCW複体Xに対し、構造群Gを持つX上のF-バンドル全体の集合を${\mathcal {E}}_{G,F}(X)$とする。

このとき、任意のCW複体Xに対し、

$[f]\in [X,B]\mapsto f^{*}(E)\in {\mathcal {E}}_{G,F}(X)$

が全単射である。

分類定理の場合と同様、X上のF-バンドルξに対応する写像$f~:~X\to B$をξの分類写像（英: classifying map）という。

離散群の分類空間

Gが離散群である場合は、定義より明らかに次が成立する：

定理 ― 離散群Gに対し、Gのアイレンベルグ・マックレーン空間(英: Eilenberg-Maclane space)$K(G,1)$、およびその普遍被覆空間$\pi ~:~P\to K(G,1)$はGの分類空間、普遍Gバンドルである。

この意味において、分類空間とは離散群におけるアイレンベルグ・マックレーン空間の概念を位相群に拡張したものである。

準同型から誘導される写像

2つの位相群G、Hの間の連続な準同型写像$\varphi ~:~G\to H$が与えられたとき、φから分類空間の間の写像$B\varphi ~:~BG\to BH$を定義できる。

この事を見るために主バンドルの一般論を簡単に復習する。$\pi ~:~P\to X$を主G-バンドルとし、$\varphi ~:~G\to H$を連続準同型写像とするとき、

$P\times _{\varphi }H$

を$PG\times H$を同値関係

$(ag,h)\sim (a,\varphi (g)h)~{\text{ for some}}~g\in G$

で割った空間とする事で、バランス積（balanced product）と呼ばれるX上の主H-バンドル

$[(a,h)]\in P\times _{\varphi }H\mapsto \pi (a)\in X$

を構成できる。そこで$B\varphi ~:~BG\to BH$を次のように定義する：

記号の定義 ―  G、Hを位相群とし、$\varphi ~:~G\to H$を連続準同型写像とする。 普遍G-バンドル$\pi ~:~PG\to BG$から主H-バンドル$PG\times _{\varphi }H\to BG$を構成すると、分類定理よりこの主H-バンドルに対応する（ホモトピー同値を除いて一意に定まる）分類写像を

$B\varphi ~:~BG\to BH$

と表記する。

実はこの対応関係は関手になっている：

定理 ― 以下のようにBを定義すると、Bは位相群の圏からCW空間のホモトピー同値類の圏への関手である：

• 位相群GにBGを対応させる
• 連続準同型写像$\varphi ~:~G\to H$に$B\varphi ~:~BG\to BH$を対応させる。

分類空間の性質

本節では、後で特性類を計算するとき必要となる分類空間の性質を述べる。

分類空間の関手Bは直積に関して以下のように振る舞う。

定理 (直積の分類空間) ― G、Hを位相群とするとき、

$B(G\times H)\approx BG\times _{k}BH\approx _{w}BG\times BH$

が成立する。

ここで「$BG\times BH$」は位相空間としての直積であり、「$BG\times _{k}BH$」はBGとBHの位相空間としての直積から誘導されるコンパクト生成位相を入れた位相空間である。「$\approx$」は自然なホモトピー同値であり、「$\approx _{w}$」は自然な弱ホモトピー同値である。 ここで弱ホモトピー同値とは、任意のnに対しホモトピー群π_nが同型になる事を指す。

なお圏論的に言えば、「$X\times _{k}Y$」はコンパクト生成位相空間の圏における圏論的な直積になっている。

定理 (部分群の分類空間) ― Gを位相群とし、Hをその部分位相群とする。このときBG、BHのモデルを適切に選ぶと、包含写像$\iota ~:~H\hookrightarrow G$が誘導する写像$B\iota ~:~BH\to BG$は各ファイバーが$G/H$と位相同型なファイバーバンドルになる。特にHがGの正規部分群であれば、$B\iota ~:~BH\to BG$は$G/H$-主バンドルになる。

証明

一般にG-主バンドル$P\to X$には、Pに対するGの自然な作用があり、この作用でPを割った空間$P/G$はXと位相同型であるので、普遍Gバンドル$\pi _{G}~:~PG\to BG$をこのGの作用で割ると$PG/G\approx BG$が成立する。

HはGの部分群なので、Hの作用でPを割った$PG/H$を考える事ができる。このとき$PG\to PG/H$はH-主バンドルであり、しかもPGの定義からPGは弱可縮なので、$PG\to PG/H$はH-普遍バンドルである。よって$PG/H$はBHのモデルの１つであり、PGは対応するH-普遍バンドルである。

そこで以下$PH=PG$、$BH=PG/H$とみなすと、可換図式

${\begin{array}{ccc}PH=PG&{\overset {id}{\to }}&PG\\\downarrow &\circlearrowright &\downarrow \\BH=PG/H&\to &BG=PG/G\end{array}}$

が考えられ、この可換図式にバランス積を取ることで、

${\begin{array}{ccc}PH=PG\times _{H}G&\to &PG\times _{G}G\approx PG\\\downarrow &\circlearrowright &\downarrow \\BH=PG/H&\to &BG=PG/G\end{array}}$

と書ける。$B\iota$の定義から$B\iota ~:~BH\to BG$はバランス積$PH\times _{\iota }G\to BH=PG/H$の分類写像であったので、上述の議論から$B\iota$は商写像

$BH=PG/H\to BG=PG/G$

に一致する。$BH=PG/H\to BG=PG/G$は$G/H$をファイバーとするバンドルであり、特にHが正規部分群であれば$G/H$-主バンドルであるので定理が示された。

分類空間による特性類の特徴づけ

分類空間の概念を用いる事により、主バンドルに対する特性類の概念を以下のように特徴づける事ができる：

定理 (分類空間による特性類の特徴づけ) ― $BG$を位相群Gの分類空間とし、FをGが効果的に作用する位相空間とし、さらにAをアーベル群とする。

このとき構造群Gを持つF-バンドルの特性類とBGのコホモロジー群$H^{*}(BG;A)$の元は1対1対応する。

上述の定理の1対1関係は具体的に以下のようにかける。すでに述べたように構造群Gの忠実な作用を持つ任意のF-バンドルの特性類は主G-バンドルの特性類と主G-バンドルの1対1対応するのでこの場合に話を限定する。 まず主G-バンドルの任意の特性類cに対し、

$c(PG)\in H^{*}(BG;A)$

が対応する。逆に$c_{G}\in H^{*}(BG;A)$を任意に選ぶと、主G-バンドル$\xi =(P,X,\pi )$に対し、分類定理により分類写像$f_{\xi }~:~X\to BG$がホモトピーを除いて一意に定まるので、Xのcに対する特性類を

$c(\xi ):=f_{\xi }{}^{*}(c_{G})\in H^{*}(X;A)$

により定義できる。

上の定理から、$H^{*}(BG;A)$の元を普遍特性類(英: universal characteristic class)という事がある。上の定理は普遍特性類と特性類が1対1対応する事を意味している。

定理の証明は以下の通りである：

証明

まずコホモロジーの元$f_{\xi }{}^{*}(c_{G})$はホモトピーに依存せずに定まるので、$c(\xi )=f_{\xi }{}^{*}(c_{G})$はwell-definedである。

次に、$c(\xi )=f_{\xi }{}^{*}(c_{G})$が前の節で述べた特性類の定義を満たす事を示す。CW複体X、Yの間の任意の連続写像$g~:~X\to Y$とY上の任意の主G-バンドル$\eta =(P,Y,\pi )$に対し、ηの分類写像を$f_{\eta }~:~Y\to BG$とし、X上のバンドル$\xi :=g^{*}(\eta )$の分類写像を$f_{\xi }~:~X\to BG$とすると、$f_{\xi }{}^{*}(PG)\approx \xi =g^{*}(\eta )$と$g^{*}(f_{\eta }{}^{*}(PG))\approx g^{*}(\eta )$は同型なバンドルを定めるので、分類定理より$f_{\xi }$と$f_{\eta }\circ g$はホモトープである。よって

$c(g^{*}(\eta ))=c(\xi )=f_{\xi }{}^{*}(c_{G})=g^{*}(f_{\eta }{}^{*}(c_{G}))=g^{*}(c(\eta ))$

が成立する。

定理の対応関係が1対1である事は明らかである。

ベクトルバンドルの構造群の分類空間

特性類の概念は原理的には任意の位相群の主バンドルに対して定義できるが、研究が進んでいるのはベクトルバンドル（の主バンドル）に対する特性類である。

そこでベクトルバンドルの特性類について記述するための準備として、本節ではベクトルバンドルの構造群の分類空間を具体的に記述する。

すなわち本節では$K=\mathbb {C} ,\mathbb {R}$に対し、一般線型群$GL_{n}(K)$の分類空間を記述する。さらに$\mathbb {R}$の場合にはベクトルバンドルに向き付けが定義可能なので、向き付け可能な$\mathbb {R}$上ベクトルバンドルの構造群である$GL_{n}^{+}(\mathbb {R} )$の分類空間についても記述する。ここで$GL_{n}^{+}(\mathbb {R} )$は行列式が正の$\mathbb {R}$上可逆行列のなす群である。

本節ではさらに、ユニタリ群$U_{n}$、直交群$O_{n}$、回転群$SO_{n}$の分類空間についても記述する。後述するように$GL_{n}(\mathbb {C} )$、$GL_{n}(\mathbb {R} )$、$GL_{n}^{+}(\mathbb {R} )$の分類空間は、実はそれぞれ$U_{n}$、$O_{n}$、$SO_{n}$の分類空間と等しい。

スティーフェル多様体とグラスマン多様体

GL_n(K)の分類空間を記述する為、本節ではスティーフェル多様体とグラスマン多様体を定義する。

後述するようにこれらはそれぞれ普遍GL_n(K)-バンドルの全空間、分類空間になる。

定義 (スティーフェル多様体) ― $K=\mathbb {C} ,\mathbb {R}$とし、$W$をK上計量ベクトル空間とする。

$W$のn個の一次独立なベクトルの組を$W$上のn-フレームという。さらにn個のベクトルがすべて長さ1で互いに直交しているものをn-正規直交フレームという。

$V_{n}W:=\{W$上n-のフレーム$\}$

とし、さらに

$\{W$上のn-正規直交フレーム$\}$

を$V_{n}^{U}W$（$K=\mathbb {C}$の場合）、もしくは$V_{n}^{O}W$（$K=\mathbb {R}$の場合）と書く事にする。

$V_{n}W$、$V_{n}^{U}W$、$V_{n}^{O}W$の事をW上のn次元スティーフェル多様体（英: Stiefel manifold）という。

Wが次元mの有限次元ベクトル空間の場合は、$V_{n}W$、$V_{n}^{U}W$、$V_{n}^{O}W$は集合として自然に

${\begin{aligned}V_{n}W&\simeq \mathrm {GL} _{m}(K)/\mathrm {GL} _{m-n}(K)\\V_{n}^{U}W&\simeq U(m)/U(m-n)~~{\text{when }}K=\mathbb {C} \\V_{n}^{O}W&\simeq O(m)/O(m-n)~~{\text{when }}K=\mathbb {R} \end{aligned}}$

という同一視ができ、上式右辺には多様体としての構造が入る事がリー群の一般論から従うので、スティーフェル「多様体」と呼ぶ。Wが無限次元の場合は$V_{n}W$、$V_{n}^{U}W$、$V_{n}^{O}W$は有限次元多様体にはならないが、言葉を混用してこの場合もスティーフェル「多様体」と呼ぶ。

定義 (グラスマン多様体) ― $K$、$W$を上と同様に取り、Wのn次元部分ベクトル空間全体の集合$G_{n}W$をW上のn次元グラスマン多様体（英: Grassmannian）という。 また、$K=\mathbb {R}$のとき、Wの向きづけられたn次元部分ベクトル空間全体の集合${\tilde {G}}_{n}W$をW上のn次元向きづけられたグラスマン多様体（英: oriented Grassmannian）という。

スティーフェル多様体と同様、Wが次元mの有限次元ベクトル空間であれば、

$G_{n}W\simeq \mathrm {GL} _{m}(K)/(\mathrm {GL} _{n}(K)\times \mathrm {GL} _{m-n}(K))\simeq {\begin{cases}U(m)/(U(n)\times U(m-n))~&~{\text{when }}K=\mathbb {C} \\O(m)/(O(n)\times O(m-n))~&~{\text{when }}K=\mathbb {R} \end{cases}}$

および

${\tilde {G}}_{n}W\simeq \mathrm {GL} _{m}(K)/(\mathrm {GL} _{n}^{+}(K)\times \mathrm {GL} _{m-n}(K))\simeq O(m)/(SO(n)\times O(m-n))~~{\text{when }}K=\mathbb {R}$

という同一視ができ、この同一視により、$G_{n}W$、${\tilde {G}}_{n}W$に多様体としての構造が入る。

GL_n(K)の分類空間の具体的記述

スティーフェル多様体$V_{n}W$の元であるn-フレームにそのフレームの貼る部分空間を対応させる事で商写像

$\pi _{n}~:~V_{n}W\to G_{n}W$

を定義できる。$\pi _{n}~:~V_{n}^{U}W\to G_{n}W$、$\pi _{n}~:~V_{n}^{O}W\to G_{n}W$、$\pi _{n}~:~V_{n}^{O}W\to {\tilde {G}}_{n}W$も同様に定義できる。

定理 (GL_n(K)、U(n)、O(n)、SO(n)の分類空間) ― $K=\mathbb {C} ,\mathbb {R}$とし、$W$をK上の任意の計量ベクトル空間とする。このとき、

$\pi _{n}~:~V_{n}W\to G_{n}W$、$\pi _{n}~:~V_{n}^{U}W\to G_{n}W$、$\pi _{n}~:~V_{n}^{O}W\to G_{n}W$、$\pi _{n}~:~V_{n}^{O}W\to {\tilde {G}}_{n}W$

はそれぞれ主GL_n(K)-バンドル、主U(n)-バンドル、主O(n)-バンドル、主SO(n)-バンドルである。 さらに包含写像

$K^{1}\subset K^{2}\subset K^{3}\subset \cdots$

の帰納的極限を

$K^{\infty }:=\lim _{m\to \infty }K^{m}$

とし、WがK^∞の場合を考えると、これらはそれぞれ普遍GL_n(K)-バンドル、普遍U(n)-バンドル、普遍O(n)-バンドル、普遍SO(n)-バンドル（のモデルの1つ）である。

上記の定理に関する留意点を述べる。$K=\mathbb {C} ,\mathbb {R}$に対するGL_n(K)の分類空間はU(n)、O(n)の分類空間と同一な空間$G_{n}K^{\infty }$である。

これはCW複体上の任意のベクトルバンドルには必ず内積が定義でき、グラム・シュミットの正規直交化法によりGL_n(K)がU(n)、O(n)に可縮である事が理由である。

普遍n-平面バンドル

分類定理で述べたように、G_nK^∞上の主GL_n(K)-バンドルV_nK^∞に随伴するn次元ベクトルバンドルは、任意のCW複体X上のn次元ベクトルバンドルを分類する上で有益である。このためV_nK^∞に随伴するn次元ベクトルバンドルの事を普遍n-平面バンドル（英: universal n-plane bundle）と呼ぶ。

バンドルの一般論から、普遍n-平面バンドルは$(V_{n}K^{\infty }\times K^{n})/GL_{n}(K)$と表記できるが、より具体的に表記する事も可能である。

グラスマン多様体G_nK^mはK^mのn次元部分ベクトル空間全体のなす多様体なので、グラスマン多様体の元V＝ベクトル空間上のファイバーとして、V自身を取ったベクトルバンドルを定義でき、これをグラスマン多様体のトートロジカル・バンドルと呼ぶが、G_nK^∞のトートロジカル・バンドルが普遍n-平面バンドルになっている。

具体的には

$E_{n}^{m}:=\{(V,v)\in G_{n}K^{m}\times K^{m}\mid v\in V\}$

とし、第一成分への射影$\pi _{n}^{m}~:~(V,v)\in E_{n}^{m}\mapsto V\in G_{n}K^{m}$により$E_{n}^{m}$をG_nK^m上のベクトルバンドルとみなしたものがG_nK^mのトートロジカル・バンドルであり、m→∞に関する帰納的極限をとった

$\pi _{n}~:~E_{n}\to G_{n}K^{\infty }$

が普遍n-平面バンドルになっている。

複素ベクトルバンドルの特性類：チャーン類

本章では、複素ベクトルバンドルの特性類であるチャーン類について述べる。これまでの議論からわかるように、複素ベクトルバンドルの整数係数の特性類とは分類空間

$BGL_{n}(\mathbb {C} )=BU(n)=G_{n}\mathbb {C} ^{\infty }$

のコホモロジー$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の元と1対1対応するので、$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の具体的構成を調べる事で複素ベクトルバンドルの特性類を決定できる。チャーン類は、$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の生成元である。

H^*(BU(n);ℤ)の具体的記述

チャーン類について記述するため、まず$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の具体的構成を調べる。$n=1$に対しては以下が成立する：

補題 ―  $H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )$をカップ積に関して次数付き環とみなしたとき、ある$\alpha \in H^{2}(BU(1);\mathbb {Z} )$が存在し、

$H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [\alpha ]$

が成立する。ここで$\mathbb {Z} [\alpha ]$は変数$\alpha$に関する$\mathbb {Z}$に関する多項式環である。

なお、上の補題において$\alpha$は偶数次のコホモロジーの元なので、$\mathbb {Z} [\alpha ]$上カップ積は可換であるため、$\mathbb {Z} [\alpha ]$が可換環であるという事実と矛盾しない。

一般のnに対して$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の具体的構造を求めるため、連続準同型写像

$\iota ~:~U(1)^{n}\hookrightarrow U(n),~~(A_{1},\ldots ,A_{n})\mapsto A_{1}\oplus \cdots \oplus A_{n}$

を考える。ここで$A_{1}\oplus \cdots \oplus A_{n}$は$A_{1},\ldots ,A_{n}$をn×n行列の対角成分に配置した$U(n)$の元である。（なおリー群の観点からは、$U(n)$の極大トーラス$U(1)^{n}$である）。このとき以下が成立する。

補題 (Splitting Principle) ―  $\iota$が誘導する写像

$\iota ^{*}~:~H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )\to H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\approx H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )\otimes \cdots \otimes H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]$

は単射環準同型である。ここでα_iはi番目の$H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )$の生成元である。

なお、上式においてコホモロジー環における積はカップ積である。また上式の値域における同型は直積に対する分類空間の振る舞いとKünnethの公式、および上記の補題から従う。

以上の事実から、後は$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の$\iota ^{*}$による像が$\mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]$のどのような部分集合に落ちるかを決定すれば、$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$を具体的に書きあらわす事ができる。

$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の像を決定するため、主バンドル一般に対して成立する以下の事実を利用する：

命題 ―  任意の位相群G、および任意の$g\in G$に対し、G上の内部自己同型$\varphi _{g}~:~h\mapsto ghg^{-1}$がBGに誘導する写像

$B\varphi _{g}~:~BG\to BG$

は恒等写像とホモトープである。

証明

命題を示すため、まず任意のu ∈ Gに対し、バランス積$P\times _{\varphi _{u}}G$はG-主バンドルとしてPと同型である事を示す。実際、$P\times _{\varphi _{u}}G$はP × Gを同値関係$(a,h)\simeq (ag^{-1},\varphi _{u}(g)h)$で割ったものとして定義されるので、写像$\mu ~:~P\to P\times _{\varphi _{u}}G$を$a\mapsto [(au,1)]$により定義すると、任意の$[(a,h)]\in P\times _{\varphi _{u}}G$は$(a,h)=(a,\varphi _{u}(\varphi _{u^{-1}}(h)))\simeq (a\varphi _{u^{-1}}(h),1)$を満たすのでμは全射である。また明らかに$\mu (a)=\mu (b)\iff [(a,1)]=[(b,1)]\iff a=b$なので、μは単射でもある。μとμ^-1の連続性の証明は省略する。

以上の事実を用いて命題を示す。定義より$B\varphi _{g}~:~BG\to BG$は主バンドル$PB\times _{\varphi _{g}}G\to BG$に対応する分類写像であり、上記の議論によりこの主バンドルは$PG\to BG$自身に等しいので、分類定理より$B\varphi _{A}$は恒等写像とホモトープである。

$A\in U(n)$に対し$\varphi _{A}~:~B\mapsto ABA^{-1}$を$U(n)$上の内部自己同型とすると、上述の命題より、$\varphi _{A}$がコホモロジー群に誘導する写像

$B\varphi _{A}{}^{*}~:~H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )\to H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$

は恒等写像である。単射$\iota$により$U(1)^{n}$を$U(n)$の部分群とみなし、$U(1)^{n}$の正規化群

$N=\{A\in U(n)\mid \varphi _{A}(U(1)^{n})=U(1)^{n}\}$

を$U(1)^{n}$の中心化群

$Z=\{A\in U(n)\mid \forall B\in U(1)^{n}~:~\varphi _{A}(B)=B\}$

で割った$W=N/Z$を考え、

$H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )^{W}:=\{u\in H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\mid \forall [A]\in W~:~B\varphi _{A}|_{U(1)^{n}}{}^{*}(u)=u\}$

と定義するとこの定義はWell-definedである。ここで$[A]\in W=N/Z$は同値類を表す。

well-definedである事の証明

Zの元Aによる内部自己同型写像$\varphi _{A}$は$U(1)^{n}$上の恒等写像なので条件式$\varphi _{A}{}^{*}(u)=u$は$[A]\in N/Z$の代表元の取り方によらない。

また図式

${\begin{array}{lll}H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )&{\overset {\iota ^{*}}{\to }}&H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\\B\varphi _{A}{}^{*}\downarrow &&B\varphi _{A}|_{U(1)^{n}}{}^{*}\downarrow \\H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )&{\overset {\iota ^{*}}{\to }}&H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\end{array}}$

が可換である事から、$\iota ^{*}$の像は確かに

$H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )^{W}$

に落ちる事がわかる。

このとき次の事実が従う事が知られている：

定理 ― 写像

$\iota ^{*}~:~H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )\to H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )^{W}\approx \mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]^{W}$

は環同型である。

一般に連結なコンパクトリー群Gに対し、Gの極大トーラスをTとするとき、Tの正規化群$N:=\{g\in G\mid \varphi _{g}(T)=T\}$を中心化群$Z:=\{g\in G\mid \forall t\in T~:~\varphi _{g}(t)=t\}$で割った群

$W(G):=N/Z$

の事をGのワイル群という。なお極大トーラスは共役を除いて一意に定まる事が知られているので、ワイル群は極大トーラスの取り方によらず同型になる。またTの極大性から中心化群Z(G)は実はT自身に等しい。

明らかに前述のWは$U(n)$のワイル群に相当する。後は$U(n)$のワイル群を決定しさえすれば、$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )\approx H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )^{W}$の構造が決定できる。

チャーン類

$P_{ij}~:~\mathbb {C} ^{n}\to \mathbb {C} ^{n}$を第i成分と第j成分を入れ替える行列とすると、明らかに$[P_{ij}]\in W$である。この事実を利用すると、以下の事実が示せる：

定理 ― $U(n)$のワイル群$W=W(U(n))$は置換群と群同型であり、Wは$U(1)^{n}$の成分の入れ替えとして$U(1)^{n}$に作用する。

証明

定理を示すために$U(1)^{n}$の$U(n)$における正規化群Nから$A\in N$を任意に選び、Aの形を決定する。

そのために$u_{1},\ldots ,u_{n}\in \mathbb {C}$を$|u_{i}|=1$を満たす相異なる複素数とし、$U=u_{1}\oplus \cdots \oplus u_{n}\in U(n)$を$u_{1},\ldots ,u_{n}\in \mathbb {C}$を対角成分に置いた行列とする。e₁、...、e_nを$\mathbb {C}$の標準的な基底とし、e_iが張る複素1次元部分空間をE_iとすると、Uが対角行列である事から、E_iはUの固有値u_iに関する固有空間である。

Aが正規化群Nの元である事から、$AUA^{-1}\in U(1)^{n}$である。すなわち$|c_{i}|=1$を満たす$c_{1},\ldots ,c_{n}\in \mathbb {C}$が存在し、$C=c_{1}\oplus \cdots \oplus c_{n}$とすると、$AUA^{-1}=C$が成立する。Cも対角行列である事から、$v_{i}=e_{i}A$としてv_iが張る複素1次元部分空間をV_iとすると、V_iはCの固有値v_iに関する固有空間である。

固有値分解の一意性より、ある置換$\sigma ~:~\{1,\ldots ,n\}\to \{1,\ldots ,n\}$が存在し、$v_{i}=u_{\sigma (i)}$かつ$V_{i}=E_{\sigma (i)}$が成立する。V_i、E_σ(i)はそれぞれv_i、e_σ(i)が張る複素1次元部分空間なので、ある$a_{i}\in \mathbb {C}$が存在し、$v_{i}=a_{i}e_{\sigma (i)}$が成立する。

よって$P_{\sigma }$を置換行列$P_{\sigma }=(\delta _{i,\sigma (j)})_{i,j}$とする（$\delta _{i,j}$はクロネッカーのデルタ）とき、v_iの定義より

$A=(a_{1}\oplus \cdots \oplus a_{n})P_{\sigma }$

が成立する。

$A\in N\subset U(n)$はユニタリ行列なので、$|a_{i}|=1,~~i=1,\ldots ,n$が成立する。すなわち$(a_{1}\oplus \cdots \oplus a_{n})\in U(1)^{n}$である。よってワイル群$W=N/U(1)^{n}$においては、

$[A]=[(a_{1}\oplus \cdots \oplus a_{n})P_{\sigma }]=[P_{\sigma }]\in W=N/U(1)^{n}$

が成立する。

AはNの任意の元だったので、Σ_nをn次の置換群とするとき、以上の議論から

$\Sigma _{n}\to W,~~\sigma \mapsto [P_{\sigma }]$

は全射である。

またこの写像は単射でもある。実際$I$をn次の単位行列とする時、$[P_{\sigma }]=[I]$であれば、$P_{\sigma }\in U(1)^{n}$が成立する必要がある。しかし$U(1)^{n}$の元は各e_iを定数倍する行列なので、そのような形の$P_{\sigma }$は明らかに$\sigma =\mathrm {id}$のケースに限る。

以上のことからワイル群Wが置換群に群同型な事が示せた。定理の後半も以上の議論から明らかに従う。

位相群に分類空間を対応させる関手Bと位相空間にコホモロジー環を対応させる関手H^*が直積を保つので、上述の定理からWは$H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\approx \mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]$の$\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}$を入れ替える形で$H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )$に作用する。よって

$H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )^{W}\subset H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\approx \mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]$

は対称多項式全体の集合に一致する。よく知られているように、任意の対称多項式は基本対称式の多項式として書けるので、以上の事実からチャーン類を以下のように定義する：

定義 (チャーン類) ―  $H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )\approx \mathbb {Z} [\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}]$上の第i基本多項式

$\sigma _{i}(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})=\sum _{A\subset \{1,\ldots ,n\},|A|=i}\left(\ \prod _{k\in A}\alpha _{k}\right)$

の

$\iota ^{*}~:~H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )\to H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )$

による逆像

$c_{i}^{(n)}=(\iota ^{*})^{-1}(\sigma _{i}(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}))\in H^{2i}(BU(n);\mathbb {Z} )$

を第iチャーン類（英: i-th Chern class）と呼ぶ。

紛れがなければ添字を省略し、$c_{i}^{(n)}$を単に$c_{i}$と書く。

分類空間$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の元と特性類は1対1でするので、第iチャーン類$c_{i}$に対応する特性類

$c_{i}(\xi )$

をベクトルバンドルξの第iチャーン類という。分類空間の元$c_{i}$を$c_{i}(\xi )$と区別したいときは、$c_{i}$を第i普遍チャーン類（英: i-th universal Chern class）という。

なお、$1\in H^{*}(BU(1)^{n};\mathbb {Z} )$を「0次の基本対象式」とみなし、$c_{0}^{(n)}:=(\iota ^{*})^{-1}(1)=1$を第0チャーン類と呼ぶ。また$n+1$次以上の基本対称式は存在しないので、$m>n$に対しては、第mチャーン類を$c_{m}^{(n)}:=0$と定義する。

またチャーン類は埋め込み$\iota ~:~U(1)^{n}\to U(n)$を使って定義されており、この埋め込みは$\mathbb {C} ^{n}$の正規直交基底の取り方に依存している。しかし正規直交基底の取り替えにより、$\iota$は$U(n)$の内部自己同型$\varphi _{A}$との合成$\iota \circ \varphi _{A}$に置き換わるだけなので、前述した命題から、チャーン類は正規直交基底の取り方によらずwell-definedである。

以上で見たように各α₁,...,α_nは対称多項式の根に相当するものなので、α₁,...,α_nの事をチャーン根（Chern root）という。

これまでの議論とチャーン類の定義から明らかに以下の事実が従う：

定理 ― :$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [c_{1}^{(n)},\ldots ,c_{n}^{(n)}]$

規約

チャーン類の定義において、α₁,...,α_nの代わりに単元$u\in \mathbb {C} ,{\text{ s.t. }}|u|=1$をこれらに掛けた$\beta _{1}:=u\alpha _{1},\ldots ,\beta _{n}:=u\alpha _{n}$をチャーン根とするようにチャーン類を定義する事もできるため、チャーン類の定義には単元uの選び方だけ自由度がある事になる。

そこで何らかの規約を置くことでこの自由度を消す必要があるが、どのような規約を置くかは分野による。代数的位相幾何学では普遍1-平面バンドル$\xi _{U}=(EU(1),BU(1),\pi )$に対し、$c_{1}^{(1)}(\xi _{U})$が$H^{2}(BU(1),\mathbb {Z} )$のcanonicalな生成元になるという規約を置く事が多いが、代数幾何学では$\xi _{U}$の双対ベクトルバンドル$\xi _{U}^{*}$に対して$c_{1}^{(1)}(\xi _{U}^{*})$が$H^{2}(BU(1),\mathbb {Z} )$のcanonicalな生成元になるという規約を置く事が多い。

区別のため代数幾何学の方のチャーン類を$c'{}_{k}^{(n)}$と書くことにすると、代数的位相幾何学のチャーン類とは

$c'{}_{k}^{(n)}=(-1)^{k}c_{k}^{(n)}$

という関係を満たす。本稿では以下、特に断りがない限り、代数的位相幾何学の規約を採用するものとする。

チャーン類の公理的特徴づけ

定理・定義 (チャーン類の公理的特徴づけ) ― 特性類の組$(c_{i}^{(n)})_{i,n}$でn次元複素ベクトルバンドル$\xi =(\pi ,E,B)$に$H^{2i}(B,\mathbb {Z} )$の元を対応させるもの

$c_{i}^{(n)}~:~\xi =(\pi ,E,B)\mapsto H^{2i}(B,\mathbb {Z} )$

で以下の性質を満たすものが一意に存在する。$c_{i}^{(n)}$をn次元ベクトルバンドルの第iチャーン類と呼ぶ。

以下でXは任意のCW複体、ξ、ηはX上の任意の複素ベクトルバンドル、n、mはそれぞれξ、ηのファイバー（であるベクトル空間）の次元であり、「$\oplus$」はベクトルバンドルのホイットニー和である：

• 次元公理（英: dimension axiom）：$c_{0}^{(n)}(\xi )=1$、$c_{i}^{(n)}(\xi )=0~~{\text{ for }}i>n$。
• ホイットニー和の公式(英: Whitney sum formula)： $c_{k}^{(n+m)}(\xi \oplus \eta )=\sum _{i=0}^{k}c_{i}^{(n)}(\xi )\smile c_{k-i}^{(m)}(\eta )$
• 正規化公理（英: normalization axiom）：普遍1-平面バンドル$\xi _{U}=(EU(1),BU(1),\pi )$に対し、$c_{1}^{(1)}(\xi _{U})$は$H^{2}(BU(1),\mathbb {Z} )$のcanonicalな生成元である。

前節で定義したチャーン類が次元公理と正規化公理を満たすのは明らかである。ホイットニー和の公式の証明は下記のとおりである。

証明

写像$U(n)\times U(m)\to U(n+m)$、$(A,B)\mapsto A\oplus B$が分類空間に誘導する写像$BU(n)\times BU(m)\to BU(n+m)$を考えると、$H^{*}(BU(n);\mathbb {Z} )$の構造とKünnethの公式から

$H^{2i}(BU(n+m);\mathbb {Z} )\hookrightarrow H^{2i}(BU(n)\times BU(m);\mathbb {Z} )\simeq \sum _{k=0}^{i}H^{2k}(BU(n);\mathbb {Z} )\times H^{2(i-k)}(BU(m);\mathbb {Z} )$

が成立する。よって$\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n+m}$をチャーン根とすると、

$c_{i}^{(n+m)}=\sigma _{i}(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n+m})=\sum _{k=0}^{i}\sigma _{k}(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})\sigma _{i-k}(\alpha _{n+1},\ldots ,\alpha _{n+m})\approx \sum _{k=0}^{i}c_{k}^{(n+m)}\smile c_{i-k}^{(n+m)}$

が成立する。なお上式の２つ目の等号は、対称多項式に関する簡単な計算により従う。 ホイットニー和の公式は上式を$\xi \oplus \eta$、ξ、ηに関する分類写像で引き戻す事で従う。

一方、上記の公理を満たす特性類の一意性は数学的帰納法により容易に示せる。

チャーン多項式

チャーン類を取り扱う上で、下記のチャーン多項式を考えると便利である：

定義 (チャーン多項式、全チャーン類) ― 上と同様に記号を定義するとき、変数tに対し、

$c(\xi ,t)=c_{0}(\xi )+c_{1}(\xi )t+\cdots +c_{n}(\xi )t^{n}$

をξのチャーン多項式（英: Chern polynomial）といい、特に

$c(\xi ):=c(\xi ,1)=c_{0}(\xi )+c_{1}(\xi )+\cdots c_{n}(\xi )$

を全チャーン類（英: total Chern class）という。

なお、チャーン類の定義より、チャーン多項式はチャーン根を使って形式的に

$c(\xi ,t)=\prod _{i}(t+\alpha _{i})$

と因数分解できる。

チャーン多項式を用いると、ホイットニー和の公式は以下のように言い換えられる：

定義 ― 上と同様に記号を定義するとき、以下が成立する：

• $c(\xi \oplus \eta ,t)=c(\xi ,t)\smile c(\eta ,t)$

チャーン多項式の性質

チャーン多項式は以下の性質を満たす。なお文献によっては以下の性質をチャーン類の公理として入れているものもあるが、実は他の公理から従うので、公理に入れる必要はない。

命題 ― CW複体X上の自明な直線バンドルεと任意のベクトルバンドルηに対して以下が成立する：

• $c(\epsilon ,t)=1$
• 安定性（英: stability）：$c(\eta \oplus \epsilon ,t)=c(\eta ,t)$

証明

後者の性質は前者の性質とホイットニー和の公式から従う。また前者に関しては次元公理から$c(\epsilon ,t)=1+c_{1}(\epsilon )t$とかけるので、$c_{1}(\epsilon )=0$のみ示せば良い。

$\{x\}$を任意の一点集合とし、$p~:~X\to \{x\}$を$\{x\}$への唯一の写像とし、ε_xを$\{x\}$上の自明な直線バンドルとし、さらに$f_{x}~:~\{x\}\to BU(1)$を$\{x\}$の分類写像とする。明らかに$\varepsilon =p^{*}(\varepsilon _{x})$なので、分類定理より、εの分類写像は$f_{x}\circ p$とホモトープである。$H^{2}(\{x\};\mathbb {Z} )=0$なので、$c_{1}\in H^{2}(BU(1);\mathbb {Z} )$の引き戻し$c_{1}(\varepsilon )=(f_{x}\circ p)^{*}(c_{1})=0$である。

実ベクトルバンドルの特性類

本節以降、実ベクトルバンドルの特性類を記述していくが、その記述は複素ベクトルバンドルのそれと比べかなり複雑であるので、詳細は次節以降に譲り、本節では実ベクトルバンドルの特性類の概要を述べる。

実ベクトルバンドルの特性類が複雑になる理由は２つある：

1. 実ベクトルバンドルの主バンドルの分類空間$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} )$は複素ベクトルバンドルの主バンドルの$H^{*}(BU(n),\mathbb {Z} )$と違い、$\mathbb {Z} _{2}$-捩れ部分群を持つ。この捩れ部分群が「悪さ」をするため、$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} )$を簡単に記述する事ができない。
2. 実ベクトルバンドルの場合は複素ベクトルバンドルと違い、向き付けの概念がある。このため向き付けのない場合の分類空間$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} )$と向き付けのある場合の分類空間$H^{*}(BSO(n),\mathbb {Z} )$の両方を考察しなければならない。

1つ目の問題を回避するために、以下では$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} )$を直接考察するのを諦め、$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} _{2})$と$H^{*}(BO(n),\Lambda )$の２つを別々に考察することにする。ここでΛは2の逆元を持つ任意の可換環である。ボックシュタインスペクトル系列を使う事で$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} _{2})$と$H^{*}(BO(n),\Lambda )$から$H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} )$を計算できるので、実用上はこの２つに対する特性類が把握できていれば十分である。

2つ目の問題に関しては、$H^{*}(BO(n))$と$H^{*}(BSO(n))$とは環構造が異なるので、この２つを両方とも考察する必要がある。

係数環がℤ₂の場合

係数環が$\mathbb {Z} _{2}$の場合の特性類の記述は比較的簡単であり、$H^{*}(BO(n))$と$H^{*}(BSO(n))$の差はさほど大きくなく、

${\begin{aligned}H^{*}(BO(n),\mathbb {Z} _{2})&=\mathbb {Z} _{2}[w_{1},\ldots ,w_{n}]\\H^{*}(BSO(n),\mathbb {Z} _{2})&=\mathbb {Z} _{2}[w_{2},\ldots ,w_{n}],~~w_{1}=0\\\end{aligned}}$

という形で両者を記述できる。ここで$w_{1},\ldots ,w_{n}$はスティーフェル・ホイットニー類と呼ばれる特性類で、このような$w_{1},\ldots ,w_{n}$の存在はチャーン類の場合と類似した方法で証明できる。ただし第iチャーン類が2i次のコホモロジー群に属するのに対し、第iスティーフェル・ホイットニー類はi次のコホモロジー群に属するので注意が必要である。

係数環が2^-1∈Λを満たすΛの場合

それに対し係数環が$2^{-1}\in \Lambda$を満たすΛの場合はより複雑である。$H^{*}(BO(n),\Lambda )$に関しては、

$H^{*}(BO(n),\Lambda )=\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor }]$

の形で記述でき、$p_{1},\ldots ,p_{n}$をポントリャーギン類という。（$p_{i}$は4i次のコホモロジー群に属する）。ここで$\lfloor \cdot \rfloor$は床関数である。 具体的にはポントリャーギン類は実ベクトルバンドルを複素化する事で得られる複素ベクトルバンドルのチャーン類を使って

$p_{i}=(-1)^{i}c_{2i}$

と書ける。（なお、実ベクトルバンドルの複素化の場合、奇数次のチャーン類$c_{2i+1}$は$2c_{2i+1}=0$を満たし、よって係数環がΛの場合は必ず$c_{2i+1}=0$になる）。

一方、$H^{*}(BSO(n),\Lambda )$はnが偶数か奇数で形が異なり、

$H^{*}(BSO(n),\Lambda )={\begin{cases}\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor }]&{\text{ if }}n{\text{ is odd}}\\\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor },\chi ]/(\chi ^{2}=p_{\lfloor n/2\rfloor })&{\text{ if }}n{\text{ is even}}\\\end{cases}}$

と書ける。ここで$p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor }$は前述のポントリャーギン類であり、χはオイラー類と呼ばれる特性類である。また$\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor },\chi ]/(\chi ^{2}=p_{\lfloor n/2\rfloor })$は多項式環$\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor },\chi ]$においてχ²をp_nと同一視して得られる環を表す。すなわち$\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{n},\chi ]$を単項イデアル$(\chi ^{2}-p_{\lfloor n/2\rfloor })$で割った環である。

以上をまとめると、実ベクトルバンドルの分類空間のコホモロジーは以下のように記述できる：

係数環	分類空間	コホモロジー
$\mathbb {Z} _{2}$	$BO(n)$	$\mathbb {Z} _{2}[w_{1},\ldots ,w_{n}]$
	$BSO(n)$	$\mathbb {Z} _{2}[w_{2},\ldots ,w_{n}]$、$w_{1}=0$
$2^{-1}\in \Lambda$を満たすΛ	$BO(n)$	$\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor }]$
	$BSO(n)$s.t. nは奇数
	$BSO(n)$s.t. nは偶数	$\Lambda [p_{1},\ldots ,p_{\lfloor n/2\rfloor },\chi ]/(\chi ^{2}=p_{\lfloor n/2\rfloor })$

スティーフェル・ホイットニー類

本節では$H^{2}(BO(n);\mathbb {Z} )$の構造を具体的に決定し、それをもとにスティーフェル・ホイットニー類を定義する。

$H^{2}(BO(n);\mathbb {Z} )$の構造の決定方法やスティーフェル・ホイットニー類の定義は、基本的には$H^{2}(BU(n);\mathbb {Z} )$の構造の決定方法やチャーン類の定義と同様である。一点大きく違うのは、チャーン類の場合は$H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [\alpha ]$を満たす$\alpha$が2次のコホモロジー群$H^{2}(BU(1);\mathbb {Z} )$に属していたのに対し、スティーフェル・ホイットニー類の場合はそのような元が1次のコホモロジー群に属する事である：

補題 ―  ある$\beta \in H^{1}(BO(1);\mathbb {Z} _{2})$が存在し、以下が成立する：

$H^{*}(BO(1);\mathbb {Z} _{2})=\mathbb {Z} _{2}[\beta ]$

この違いが原因でチャーン類は偶数次のコホモロジー群にしか登場しなかったが、スティーフェル・ホイットニー類は奇数次のコホモロジーにも登場する。

なお、コホモロジーの係数が$\mathbb {Z} _{2}$なので、カップ積は奇数次のコホモロジーにおいても可換である。

H^*(BO(n);ℤ₂)の具体的記述

自然数$n\geq 1$に対し$H^{2}(BO(n);\mathbb {Z} _{2})$の具体的形を調べるため、チャーン類のときと同様、連続準同型写像

$\iota ~:~O(1)^{n}\hookrightarrow O(n),~(A_{1},\ldots ,A_{n})\mapsto A_{1}\oplus \cdots \oplus A_{n}$

により$O(1)^{n}$を$O(n)$の部分群とみなす。ここで「$\oplus$」は対角線上に行列を並べる演算である。

$\varphi _{A}~:~B\mapsto ABA^{-1}$を内部自己同型とする。チャーン類の時と同様、$O(1)^{n}$の正規化群

$N=\{A\in O(n)\mid \varphi _{A}(O(1)^{n})=O(1)^{n}\}$

を$O(1)^{n}$の中心化群

$Z=\{A\in O(n)\mid \forall B\in O(1)^{n}~:~\varphi _{A}(B)=B\}$

で割った$\Sigma =N/Z$を考え、

$H^{*}(BO(1)^{n};\mathbb {Z} )^{\Sigma }:=\{u\in H^{*}(BO(1)^{n};\mathbb {Z} )\mid \forall [A]\in \Sigma ~:~B\varphi _{A}{}^{*}(u)=u\}$

と定義するとこの定義はWell-definedである。ここで$[A]\in \Sigma =N/Z$は同値類を表す。このとき次の事実が従う：

定理 ― 写像

$\iota ^{*}~:~H^{*}(BO(n);\mathbb {Z} _{2})\to H^{*}(BO(1)^{n};\mathbb {Z} _{2})^{\Sigma }\approx \mathbb {Z} _{2}[\beta _{1},\ldots ,\beta _{n}]^{\Sigma }$

は全単射である。

ここでβ_iは$H^{*}(BO(1)^{n};\mathbb {Z} _{2})\approx H^{*}(BO(1);\mathbb {Z} _{2})\otimes \cdots \otimes H^{*}(BO(1);\mathbb {Z} _{2})$のi番目の$H^{*}(BO(1);\mathbb {Z} _{2})$の生成元である。

定理 ― Σは置換群と群同型であり、Σは$O(1)^{n}$の成分の入れ替えとして$O(1)^{n}$に作用する。

スティーフェル・ホイットニー類の定義

スティーフェル・ホイットニー類を以下のように定義する：

定義 (スティーフェル・ホイットニー類) ―  $H^{*}(BD;\mathbb {Z} _{2})\approx \mathbb {Z} [\beta _{1},\ldots ,\beta _{n}]$上の第i基本多項式

$\sigma _{i}(\beta _{1},\ldots ,\beta _{n})=\sum _{A\subset \{1,\ldots ,n\},|A|=i}\left(\ \prod _{k\in A}\beta _{k}\right)$

の

$\iota ^{*}~:~H^{*}(BO(n);\mathbb {Z} _{2})\to H^{*}(BO(1)^{n};\mathbb {Z} _{2})$

による逆像

$w_{i}^{(n)}=(\iota ^{*})^{-1}(\sigma _{i}(\beta _{1},\ldots ,\beta _{n}))\in H^{i}(BO(n),\mathbb {Z} _{2})$

を第iスティーフェル・ホイットニー類（英: i-th Stiefel–Whitney class class）と呼ぶ。

紛れがなければ添字を省略し、$w_{i}^{(n)}$を単に$w_{i}$と書く。

分類空間$H^{*}(BO(n);\mathbb {Z} _{2})$の元と特性類は1対1でするので、第iスティーフェル・ホイットニー類$w_{i}$に対応する特性類

$w_{i}(\xi )$

をベクトルバンドルξの第iスティーフェル・ホイットニー類という。分類空間の元$w_{i}$を$w_{i}(\xi )$と区別したいときは、$w_{i}$を第i普遍スティーフェル・ホイットニー類（英: i-th universal Stiefel–Whitney class class）という。

チャーン類のときと同様、$w_{0}^{(n)}:=(\iota ^{*})^{-1}(1)=1$、$w_{m}^{(n)}:=0$ for $m>n$と定義する。

明らかに以下の事実が従う：

定理 ― :$H^{*}(BO(n);\mathbb {Z} )=\mathbb {Z} [w_{1}^{(n)},\ldots ,w_{n}^{(n)}]$

公理的特徴づけ

チャーン類と同様スティーフェル・ホイットニー類も公理的に特徴づける事ができる：

定理・定義 (スティーフェル・ホイットニー類の公理的特徴づけ) ― 特性類の組$(w_{i}^{(n)})_{i,n}$でn次元実ベクトルバンドル$\xi =(\pi ,E,B)$に$H^{i}(B,\mathbb {Z} _{2})$の元を対応させるもの

$w_{i}^{(n)}~:~\xi =(\pi ,E,B)\mapsto H^{i}(B,\mathbb {Z} _{2})$

で以下の性質を満たすものが一意に存在する。$w_{i}^{(n)}$をn次元ベクトルバンドルの第iスティーフェル・ホイットニー類と呼ぶ。

以下でXは任意のCW複体、ξ、ηはX上の任意の実ベクトルバンドル、n、mはそれぞれξ、ηのファイバー（であるベクトル空間）の次元であり、「$\oplus$」はベクトルバンドルのホイットニー和である：

• 次元公理：$w_{0}^{(n)}(\xi )=1$
• ホイットニー和の公式： $w_{k}^{(n+m)}(\xi \oplus \eta )=\sum _{i=0}^{k}w_{i}^{(n)}(\xi )\smile w_{k-i}^{(m)}(\eta )$
• 正規化公理：1次元実射影空間$\mathbb {R} P^{1}\approx S^{1}$上の普遍1-平面バンドル$\xi _{U}$に対し、$w_{1}^{(1)}(\xi _{U})\neq 0$。

性質

全チャーン類と同様、全スティーフェル・ホイットニー類を定義でき、全チャーン類と同様の性質を示す事ができる：

定義・定理 (全スティーフェル・ホイットニー類) ― : $w(\xi )=w_{0}(\xi )+w_{1}(\xi )+\cdots +w_{n}(\xi )$ をξの全スティーフェル・ホイットニー類（英: total Stiefel Whitney polynomial）といい、以下が成立する：

• $w(\xi \oplus \eta )=w(\xi )\smile w(\eta )$
• （安定性、英: stability）$w(\eta \oplus \epsilon )=w(\eta )$

自然な写像$\nu ~:~SO(1)\to U(1)$が誘導する写像$H^{*}(U(1);\mathbb {Z} _{2})\to H^{*}(SO(1);\mathbb {Z} _{2})$は単射であり、$H^{*}(U(1);\mathbb {Z} _{2})$の生成元αの自乗α²がβに移る事が知られている。したがって $\sigma _{i}(\alpha _{1}{}^{2},\ldots ,\alpha _{n}{}^{2})\in H^{*}(U(1)^{n};\mathbb {Z} _{2})$は$w_{i}\in \sigma _{i}(\beta _{1},\ldots ,\beta _{n})\in H^{*}(U(1)^{n};\mathbb {Z} _{2})$に移るが、$\mathbb {Z} _{2}$上では$\sigma _{i}(\alpha _{1}{}^{2},\ldots ,\alpha _{n}{}^{2})=\sigma _{i}(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n})^{2}=c_{i}$になので、以下が成立する：

定理 ―  実ベクトルバンドル$\xi =(\pi ,X,E)$に対しその複素化を$\xi _{\mathbb {C} }$とすると、任意の非負整数iに対して以下が成立する：

$c_{i}(\xi _{\mathbb {C} })=w_{i}(\xi )^{2}$ in $H^{*}(X;\mathbb {Z} _{2})$

逆に複素ベクトルバンドル$\omega$から複素構造を忘れて実ベクトルバンドルとみなしたものを$\xi$の脱複素化（英: decomplexification、英: realification）と呼び、$\omega _{\mathbb {R} }$と書くと任意の非負整数iに対して以下が成立する事が知られている：

定理 ―  複素ベクトルバンドル$\xi =(\pi ,X,E)$に対し、以下が成立する：

$w_{2i}(\omega _{\mathbb {C} })=c_{i}(\xi )$、$w_{2i+1}(\omega _{\mathbb {C} }))=0$ in $H^{*}(X;\mathbb {Z} _{2})$

ポントリャーギン類とオイラー類

本節では$2^{-1}\in \Lambda$を満たす可換環Λに対し、$H^{*}(BSO(n),\Lambda )$、$H^{*}(BO(n),\Lambda )$の構造を決定し、これをもとにポントリャーギン類とオイラー類を定義する。

定義

本節ではコホモロジー環$H^{*}(BSO(n),\Lambda )$、$H^{*}(BO(n),\Lambda )$の構造し、これをもとにポントリャーギン類とオイラー類を定義する。そのために利用するのは、チャーン類のときと同様、ワイル群に関する議論である。そこでSO(n)の極大トーラスを記述するため、nが偶数であるか奇数であるかに応じてn=2m、n=2m+1として$\mu ~:~SO(2)^{m}\hookrightarrow SO(n)$を

$\mu ~:~SO(2)^{m}\hookrightarrow SO(n),~~(R(\theta _{1}),\ldots ,R(\theta _{m}))\mapsto {\begin{cases}R(\theta _{1})\oplus \cdots \oplus R(\theta _{m})&{\text{if }}n=2m\\R(\theta _{1})\oplus \cdots \oplus R(\theta _{m})\oplus 1&{\text{if }}n=2m+1\end{cases}}$

により定義する。ここで「$\oplus$」は対角線上に行列を並べる演算であり、R(θ)は2次元の回転行列

$R(\theta ):={\begin{pmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}$

である。$\mu$によるSO(2)^mの像はSO(n)の極大トーラスである事が知られている。さらに自然な埋め込み$\iota ~:~SO(n)\hookrightarrow O(n)$を考える。

そしてこれら２つの写像が分類空間のコホモロジーに誘導する写像を考える：

$H^{*}(BO(n),\Lambda ){\overset {B\iota ^{*}}{\to }}H^{*}(BSO(n),\Lambda ){\overset {B\mu ^{*}}{\to }}H^{*}(BSO(2)^{m},\Lambda )\approx \Lambda [\gamma _{1},\ldots ,\gamma _{m}]$

上式の最後の同型「$\approx$」は、リー群として$SO(2)\approx U(1)$である事からチャーン類のときの議論により従う。ここで「$\approx$」は環としての同型であり、$H^{*}(BSO(2)^{m},\Lambda )$の積はカップ積である。

またγ_jは$H^{*}(BSO(2)^{m};\Lambda )\approx \otimes _{j}H^{*}(BSO(2);\Lambda )$のj番目の$H^{*}(BSO(2);\Lambda )$の生成元であり、γ_jは次数2のコホモロジー$\gamma _{j}\in H^{2}(BSO(2);\Lambda )$に属している。（これらもチャーン類のときの議論により従う）。

なお、$H^{*}(BSO(2);\Lambda )\approx \Lambda [\gamma ]$の生成元γの選び方は、Λの単元倍の自由度があるので、この自由度をなくす為、以下の規約を置く：

規約 ―  $H^{*}(BSO(2);\Lambda )=H^{*}(BU(1);\Lambda )$の生成元γとして、第一チャーン類$c_{1}$を選ぶ。

上で自然な同型$SO(2)\approx U(1)$を用いた。このように規約を決めると、チャーン類の定義から$\gamma =c_{1}$は整数係数のコホモロジー$H^{*}(BSO(2);\mathbb {Z} )=H^{*}(BU(1);\mathbb {Z} )$に属する事になるのが利点である。

本項の目標は、$H^{*}(BSO(2)^{m},\Lambda )\approx \Lambda [\gamma _{1},\ldots ,\gamma _{m}]$を用いる事で$H^{*}(BSO(n),\Lambda )$と$H^{*}(BO(n),\Lambda )$の構造を特定し、これをもとにポントリャーギン類とオイラー類を定義する事である。

詳細は後回しにし、先に結論を述べる。

定理 ($H^{*}(BSO(n);\Lambda )$、$H^{*}(BO(n);\Lambda )$の構造) ―  $B\iota ^{*}$、$B\mu ^{*}$は単射であり、$\gamma _{1}{}^{2},\ldots ,\gamma _{m}{}^{2}$の基本対称式を

$p_{j}^{(n)}:=\sigma _{j}(\gamma _{1}{}^{2},\ldots ,\gamma _{m}{}^{2})$

とし、

$e^{(n)}:=\gamma _{1}\cdots \gamma _{m}$

とするとき、以下が成立する：

$H^{*}(BSO(n);\Lambda ){\overset {B\mu ^{*}}{\overset {\sim }{\to }}}{\begin{cases}\Lambda [p_{1}^{(n)},\ldots ,p_{m}^{(n)}]&{\text{ if }}n=2m+1\\\Lambda [p_{1}^{(n)},\ldots ,p_{m}^{(n)},e^{(n)}]&{\text{ if }}n=2m\\\end{cases}}$

$H^{*}(BO(n);\Lambda ){\overset {B\mu ^{*}\circ B\iota ^{*}}{\overset {\sim }{\to }}}\Lambda [p_{1}^{(n)},\ldots ,p_{m}^{(n)}]$

ポントリャーギン類とオイラー類を以下のように定義する：

定義 (ポントリャーギン類、オイラー類) ―  上の定理と同様に記号を定めるとき、

$p_{i}^{(n)}\in H^{4i}(BO(n);\Lambda )$

を第iポントリャーギン類（英: i-th Pontryagin class）といい、$n=2m$のとき、

$e^{(n)}\in H^{n}(BSO(n);\Lambda )$

をオイラー類（英: Euler class）という。

紛れがなければ、$p_{i}^{(n)}$、$e^{(n)}$を単に$p_{i}$、$e$と書く。

分類空間$H^{*}(BO(n);\Lambda )$や$H^{*}(O(n);\Lambda )$の元と特性類は1対1でするので、第iポントリャーギン類$p_{i}$やオイラー類eに対応する特性類

$p_{i}(\xi )$、$e(\xi )$

をそれぞれベクトルバンドルξの第iポントリャーギン類、オイラー類という。分類空間の元$p_{i}$、eを$p_{i}(\xi )$、$e(\xi )$と区別したいときは、$p_{i}$、eをそれぞれ第i普遍ポントリャーギン類（英: i-th universal Pontryagin class）、普遍オイラー類（英: universal Euler class）という。

なぜ上述の定理が成立するのかについては後述する。

定理の証明のアイデア

本節では、前述したH^*(BSO(n);Λ)とH^*(BO(n);Λ)の構造を記述した定理がなぜ成立するかを次の３つの場合に分けて説明する：

• nが偶数の場合のH^*(BSO(n);Λ)の構造
• nが奇数の場合のH^*(BSO(n);Λ)の構造
• H^*(BO(n);Λ)の構造

準備

定理を示すにはチャーン類の場合と同様、ワイル群を用いる事でH^*(BSO(n);Λ)の構造を決定する。そのためにBorelによる以下の一般的な定義を用いる：

定理 (Borelの定理) ―  pを素数とし、Gを連結なコンパクトリー群で整数係数コホモロジー$H^{*}(G,\mathbb {Z} )$がp-捻れ部分群を持たないものとする。

さらにTをGの極大トーラスとし、WをGのワイル群とし、$H^{*}(BT,\mathbb {Z} )^{W}$を$H^{*}(BT,\mathbb {Z} )$の元でWに関して不変なもの全体の集合とする。$H^{*}(BT,\mathbb {Z} )^{W}\otimes \mathbb {Z} _{p}\subset H^{*}(BT,\mathbb {Z} _{p})$とみなすと、包含写像$\iota ~:~T\hookrightarrow G$がコホモロジーに誘導する写像

$B\iota ^{*}~:~H^{*}(BG,\mathbb {Z} _{p})\to H^{*}(BT,\mathbb {Z} )^{W}\otimes \mathbb {Z} _{p}$

は環同型である。

$H^{*}(SO(n);\Lambda )$が$p\neq 2$のねじれ元を持たない事を利用して、以下の命題を示せる：

命題 (H^*(BSO(n),Λ)のワイル群による表現) ― 写像

$\mu ^{*}~:~H^{*}(BSO(n);\Lambda )\to H^{*}(BSO(2)^{m};\mathbb {Z} )^{W}\otimes \Lambda$

は環同型である。

上述の命題ではBorelの定理で「$\mathbb {Z} _{p}$」であったところが「Λ」に代わっているが、普遍係数定理を用いる事で「Λ」に代えてよい事が容易に示せる。

命題の証明

命題の証明には普遍係数定理を使うので、まずこの定理を復習する：

定理 (普遍係数定理) ―  Xを位相空間とし、Mを$\mathbb {Z}$-加群とする。全てのkに対して$H_{k}(X;\mathbb {Z} )$が$\mathbb {Z}$上有限生成であれば、任意のkに対して以下が成立する:

$H^{k}(X;M)\approx H^{k}(X;\mathbb {Z} )\otimes M\oplus \mathrm {Tor} (H^{k+1}(X;\mathbb {Z} ),M)$.

すでに述べたようにBSO(n)やBSO(2)はグラスマン多様体として表す事ができる。そしてグラスマン多様体をCW複体であって各kに対してk包体が有限個のもので表せる事が知られている。よって$H_{k}(BSO(n);\mathbb {Z} )$、$H^{k}(BSO(n);\mathbb {Z} )$、$H_{k}(BSO(2)^{m};\mathbb {Z} )$、$H^{k}(BSO(2)^{m};\mathbb {Z} )$は全て有限生成であり、上述の普遍係数定理の前提条件が満たされる。

以下、$\Lambda =\mathbb {Z} [1/2]=\{a/2^{n}\mid a\in \mathbb {Z} ,n\in \mathbb {Z} _{\geq 0}\}$の場合に対してのみ定理を証明する。それ以外の場合に関しては普遍係数定理から従う。なお$\Lambda =\mathbb {Z} [1/2]$は単項イデアル整域であり、$\Lambda$上のイデアルは素数$p\neq 2$により生成される単項イデアルのみである事を容易に示せる。

$\mu ~:~SO(2)^{m}\to SO(n)$が誘導する写像

$B\mu {}_{\Lambda }^{*}~:~H^{k}(BSO(n),\Lambda )\approx H^{k}(BSO(n),\mathbb {Z} )\otimes \Lambda \to H^{k}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}\otimes \Lambda$ ...(1)

を考えるとき、まず(1)式の右辺について、

$H^{k}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}\otimes \Lambda \approx \Lambda ^{r_{k}}$ ...(2)

となる非負整数r_kが存在する事が言える。

実際、$SO(2)\approx U(1)$であるので、チャーン類のところで述べた議論から、$H^{*}(BSO(2)^{m};\mathbb {Z} )\approx \mathbb {Z} [\gamma _{1},\ldots ,\gamma _{m}]$であり、よって特に各kに対し、$H^{k}(BSO(2)^{m};\mathbb {Z} )$は自由アーベル群であり、したがってその部分群である$H^{k}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}$も自由アーベル群であるので(2)がしたがう。

$\Lambda =\mathbb {Z} [1/2]$は単項イデアル整域なので、有限生成加群の基本定理を使って$H^{k}(BSO(n);\mathbb {Z} )\approx \Lambda ^{t_{k}}\oplus S^{(k)}$と自由Λ-加群部分$\Lambda ^{t_{k}}$と捩れ部分群部分$S^{(k)}$の直和として表すと、(2)式より(1)式は

$B\mu {}_{\Lambda }^{*}~:~H^{k}(BSO(n),\Lambda )\approx \Lambda ^{t_{k}}\oplus S^{(k)}\to H^{k}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}\otimes \Lambda \approx \Lambda ^{r_{k}}$ ...(3)

と書ける。

$H^{*}(SO(n);\mathbb {Z} )$は素数$p\neq 2$に対し、p-捩れ部分群を持たないので、$G=SO(n)$、$T=SO(2)^{m}$に対してBorelの定理を使う事ができ、

$B\mu {}_{\mathbb {Z} _{p}}^{*}~:~H^{*}(BSO(n),\mathbb {Z} _{p}){\overset {\sim }{\to }}H^{*}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}\otimes \mathbb {Z} _{p}$ for $p\neq 2$

である。上式と(3)式と普遍係数定理を使って書き換える事で、

$B\mu {}_{\mathbb {Z} _{p}}^{*}~:~\mathbb {Z} _{p}{}^{t_{k}}\oplus (S^{(k)}\otimes \mathbb {Z} _{p})\oplus (S^{(k+1)}\otimes \mathbb {Z} _{p}){\overset {\sim }{\to }}\mathbb {Z} _{p}{}^{r_{k}}$ for $p\neq 2$ ...(4)

が言える。

有限生成加群の基本定理から$S^{(k)}$、$S^{(k+1)}$は有限集合なので、$S^{(k)}$、$S^{(k+1)}$には位数qの元が存在しない素数$q\neq 2$を取る事ができる。(4)式で$p=q$とすると、qの取り方から$S^{(k)}\otimes \mathbb {Z} _{q}=S^{(k+1)}\otimes \mathbb {Z} _{q}=0$が成立する。よって(4)式から

$r_{k}=t_{k}$ ...(5)

が成立する。すなわち$H^{k}(BSO(n);\Lambda )$の自由アーベル群部分のランクは$H^{k}(BSO(2)^{m},\mathbb {Z} )^{W}\oplus \Lambda$のランクに等しい。

また任意の$p\neq 2$に対し(4)式の両辺で$\mathbb {Z} _{p}$上の次元が同じでなければならないので、(5)式から